Techniki niskotemperaturowe w medycynie Adiabatyczne

Politechnika Gdańska
Wydział Mechaniczny
Inżynieria Mechaniczno - Medyczna
Techniki niskotemperaturowe w medycynie
Adiabatyczne rozmagnesowanie
paramagnetyków jako metoda osiągania
ekstremalnie niskich temperatur.
Anna Mielcarek
II sem IMM II st.
Spis treści
Wstęp
1
1. Charakterystyka paramagnetyków
1
2. Rozmagnesowanie adiabatyczne paramagnetyków
2
3. Temperatura końcowa paramagnetyka i wydajność procesu
4
4. Obieg chłodzenia magnetycznego, a obieg parowo – sprężarkowy
5
5. Chłodziarki do chłodzenia magnetycznego
6
6. Zalety adiabatycznego rozmagnesowywania paramagnetyków
6
7. Materiały magnetokaloryczne
7
8. Bibliografia
8
Wstęp
W celu obniżania temperatur stosuje się między innymi czynniki w stanie gazowym.
Są one głównym czynnikiem roboczym stosowanym w większości chłodziarek
kriogenicznych. Zdarza się jednak, że do chłodzenia wykorzystujemy również własności
magnetyczne i elektryczne ciał stałych. Na szczególną uwagę zasługują paramagnetyki,
które umożliwiają uzyskanie zarówno niski temperatur (poniżej 1K), jak trwają badania nad
zastosowaniem ich w wyższych temperaturach.
1. Charakterystyka paramagnetyków
Paramagnetyki to ciała stałe, których atomy lub cząsteczki posiadają własny
moment magnetyczny. W wyniku fluktuacji cieplnych wypadkowy moment magnetyczny
paramagnetyków wynosi zero. Innymi słowy, są to substancje zbudowane z bardzo słabo
ze sobą oddziałujących dipoli magnetycznych obdarzonych momentem magnetycznym.
Gdy zostanie przyłożone zewnętrzne pole magnetyczne, następuje uporządkowanie
momentów magnetycznych paramagnetyka. W odróżnieniu od diamagnetyków, gdzie
indukowane momenty są skierowane przeciwnie do kierunku pola, powstały moment
wypadkowy substancji paramagnetycznej ma kierunek zgodny z zewnętrznym polem.
Porządek ten zachodzi tym łatwiej, im niższa jest temperatura. Do kompletnego
uporządkowania momentów magnetycznych w temperaturze 1 K wystarczy pole o indukcji
kilku Tesli, co jest dość łatwo osiągalne w warunkach laboratoryjnych.
Entropia w przypadku paramagnetyków jest funkcją temperatury jak i natężenia pola
magnetycznego. Zależy zarówno od fluktuacji cieplnych cząsteczek jak i od ich orientacji.
Gdy zewnętrzne pole magnetyczne osiągnie temperaturę zera bezwzględnego, to
w substancji
wykazującej
własność
paramagnetyzmu
nie
pozostaje
resztkowe
namagnesowanie (odmiennie niż w przypadku ferromagnetyzmu, gdzie namagnesowanie
osiąga wtedy wartość maksymalną).
Przykładami paramagnetyków są między innymi: tlen cząsteczkowy, lit, sód, potas, wapń,
glin oraz niektóre sole.
1
2. Rozmagnesowanie adiabatyczne paramagnetyków
Rozmagnesowanie
adiabatyczne
paramagnetyków,
zwane
również
efektem
magnetokalorycznym (MCE) jest podstawą technologi obniżania temperatur w ramach
chłodzenia magnetycznego. Jest to zjawisko termodynamiczne, w którym odpowiednio
dobrany materiał gwałtownie zmienia swoją temperaturę podczas oddziaływania na niego
cyklicznie zmiennego pole magnetyczne. Efekt ten wykazują wszystkie materiały
magnetyczne.
Rysunek 1: Efekt MCE
Efekt ten został pierwszy raz zauważony w 1880 roku przez przyjaciela Alberta Einsteina –
niemieckiego fizyka Emila Warburga. Jednakże dopiero w latach trzydziestych XX wieku
pojawiły się dwie pierwsze koncepcje wykorzystania tego zjawiska. Jedna z nich była
autorstwa Amerykanina W. F. Giague i została opublikowana w 1926 roku, druga
natomiast – została stworzona rok później przez P. Debye w Niemczech. Obie powstały
niezależnie od siebie. Jest to podstawowa metoda uzyskiwania temperatur poniżej 0,3K
opierająca
się
na
rozmagnesowywaniu
adiabatycznym
spinów
elektronów
soli
paramagnetycznych. Natomiast w 1965 roku węgierski fizyk - Miklós Kürti i jego
współpracownicy osiągnęli temperaturę 1,2*10 -6 K poprzez rozmagnesowanie spinów jąder
atomów miedzi.
2
Możliwość obniżenia temperatury w oparciu o efekt MCE wynika z uporządkowania dipoli
w paramagnetyku połączonego z obniżeniem entropii. Obniżenie temperatury składa się
z dwóch etapów:
1) izotermicznego namagnesowanie materiału (proces A-B na rysunku 2)
Podczas tego etapu następuje:
a) wzrost wartości natężenia pola magnetycznego od wartości H 0 do wartościH3;
b) ułożenie dipoli magnetycznych równolegle do kierunku pola;
c) spadek wartości entropii od wartości SA do wartości SB;
d) przekazanie ciepła do otoczenia w ilości: q = Tin (SA – SB).
2. adiabatycznego rozmagnesowanie (proces B-C na rysunku 2)
Podczas tego etapu następuje:
a) powrót do natężenia o wartości Ho;
b) obniżenie temperatury od wartości Tin do wartości Tf.
Rysunek 2: Proces obniżania temperatury
w efekcie rozmagnesowania adiabatycznego;
H - natężenie pola magnetycznego,
A - B - izotermiczne namagnesowanie,
B - C - adiabatyczne rozmagnesowanie.
3
Na podstawie rys. 2 można zauważyć, że efekt zmniejszania się entropii podczas
izotermicznego namagnesowania następuje w przedziale temperatur od wartości To
(temperatura
początkowa)
namagnesowania :
do
wartości
ΘS
(temperatura
spontanicznego
). W tych temperaturach ruchliwość cieplna
molekuł jest tak mała, że zewnętrzne pole magnetyczne częściowo porządkuje momenty
magnetyczne, a tym samym entropia bardzo silnie jest uzależniona od przyłożonego pola
zewnętrznego. Powyżej temperatury To występują tak silne fluktuacje termiczne, że
przyłożone zewnętrzne pole magnetyczne nie daje rady uporządkować momentów
magnetycznych spinów elektronów paramagnetyka. Tym samym, w tym zakresie
temperatur, natężenie pola H nie wpływa na entropię układu. Natomiast, gdy temperaturę
bardzo obniżymy, następuje spontaniczne uporządkowanie momentów i zewnętrzne pole
nie wpływa na wartość entropii.
3. Temperatura końcowa paramagnetyka i wydajność procesu
W oparciu o I Zasadę Termodynamiki i wzór na potencjał Gibbsa, z prawa Curie możemy
określi końcową temperaturę paramagnetyka po rozmagnesowaniu, która jest równa:
gdzie:
Tk – temperatura końcowa po rozmagnesowaniu;
To – temperatura początkowa;
Ho – początkowe natężenie pola magnetycznego;
C – stała Curie;
cH – ciepło właściwe w stałym natężeniu pola magnetycznego H.
Przy obliczeniach należy pamiętać, że prawo Curie nie jest zachowane przy bardzo
niskich temperaturach. Spowodowane jest to faktem, iż przy temperaturze T dążącej
do zera absolutnego namagnesowanie M musiało by dążyć do nieskończoności,
a w rzeczywistości podlega ono nasyceniu.
Wydajność chłodniczą procesu wyznacza się ze wzoru:
4
4. Obieg chłodzenia magnetycznego, a obieg parowo – sprężarkowy
Rysunek 3: Porównanie obiegu chłodzenia magnetycznego i obiegu parowo
– sprężarkowego.
Rysunek 3 obrazuje występujące analogie pomiędzy chłodzeniem magnetycznym,
a sprężaniem i rozprężaniem gazów. Proces rozmagnesowania, który zachodzi przy stałej
temperaturze
stanowi
odpowiednik
izotermicznego
sprężania
gazów.
Natomiast
izentropowe rozprężanie gazu pod względem termodynamicznym jest analogiczne do
adiabatycznego procesu rozmagnesowywania.
5
5. Chłodziarki do chłodzenia magnetycznego
Rysunek 4: Zasada działania chłodziarki do adiabatycznego rozmagnesowywania;
1 - substancja paramagnetyczne, 2 - naczynie z próbką, 3 - zawór pozwalający na
usunięcie gazu pośredniczącego w wymianie ciepła, 4 - magnes.
Proces chłodzenia magnetycznego polega na umieszczeniu substancji paramagnetycznej
w naczyniu, które jest zanurzone we wrzącym helu w temperaturze ok. 1K w warunkach
obniżonego ciśnienia. Warunkiem wstępnego ochłodzenia próbki, jest wypełnienie
zbiornika 2 gazowym helem, który pośredniczy w wymianie ciepła (rys. 4a). Potem, przy
stałej temperaturze następuje namagnesowanie próbki (rys. 4b). Ciepło zostaje
odprowadzone do helu, który wrze. Następnie, ze zbiornika 2 przez zawór 3 usuwa się
gaz, który pośredniczył w wymianie ciepła (rys. 4c). W ten sposób otrzymuje się warunki
adiabatyczne. Kolejny etap to usunięcie pola magnetycznego. Ostatecznie próbka ulega
rozmagnesowaniu (rys. 4d) i obniża się jej temperatura.
6. Zalety adiabatycznego rozmagnesowywania paramagnetyków
Chłodzenie magnetyczne nie wymaga specjalistycznych części mechanicznych. Co więcej
– aparatura stosowana w tym procesie nie zużywa się i jest o 40% wydajniejsza od
stosowanych dotychczas metod. Jej gabaryty są mniejsze od tradycyjnych sprężarek. Co
ważne – jest przyjazna środowisku: nie wymaga stosowania gazów szkodliwych oraz jest
to metoda energooszczędna.
6
7. Materiały magnetokaloryczne
Wykorzystanie efektu adiabatycznego rozmagnesowania paramagnetyków przynosi wiele
widocznych korzyści i jest znany od stu lat, jednakże proces chłodzenia magnetycznego
nadal nie jest powszechnie stosowany.
W prawdzie jest on używany np. jako środek
pomocniczy do osiągania temperatur w okolicy 0K, ale jeszcze sporo czasu upłynie, zanim
będzie można spotkać się z nim np. w klimatyzatorach. Wynika to z faktu, iż naukowcy
wciąż szukają odpowiedniego materiału, który dawał by możliwość dość dużego obniżenia
temperatury. Dotychczas w procesie adiabatycznego rozmagnesowania korzystamy m.in.
z soli paramagnetycznych (np. siarczanu gadolinu, siarczan miedziowo – potasowego,
azotanu cerowo – magnezowy) i ałunów (np. żelazowo – amonowych, chromowo –
potasowych), jednak wydajność tych związków jest za mała w stosunku do potrzeb.
Poszukiwaniami odpowiednich materiałów zajmują się m.in. naukowcy z Lawrence
Berkeley National Laboratory. Odkryli oni, iż bardzo duży efekt MCE daje np. stop niklowomanganowo-galowy
z
domieszką
miedzi.
Niestety,
mimo
zastosowania
wielu
zaawansowanych technik badawczych, nadal nie wiedzą, dlaczego tak się dzieje i nie są
w stanie określić wpływu konkretnych domieszek na efekt końcowy procesu chłodzenia.
Jednak badania te dopiero są we wstępnej fazie i potrwają zapewne jeszcze wiele lat.
Pozostaje nadzieja, iż naukowcom w końcu uda się odkryć właściwość atomów czy
cząsteczek wpływającą na siłę efektu MCE, a to pozwoli na stworzenie stopów idealnych
do zastosowania w lodówkach, zamrażarka, klimatyzatorach, komputerach czy też ogólnie
rozumianym przemyśle.
7
8. Bibliografia:
 Chorowski M., Kriogenika – podstawy i zastosowania, wyd. MASTA, Gdańsk 2007;
 W. Skrzypulec, G. Konopka-Cupiał, Efektywne wykorzystanie energii i czyste
środowisko – główne kierunki rozwoju w branży chłodniczej i klimatyzacyjnowentylacyjnej, Polityka Energetyczna, Tom 11, Zeszyt 2, 2008, PL ISSN 1429-6675;
 http://portalwiedzy.onet.pl/49222,,,,paramagnetyzm,haslo.html;
 http://ifd.fuw.edu.pl/fizyka/zapytaj-fizyka/500-lodowka-magnetyczna;
 http://portalwiedzy.onet.pl/31020,,,,rozmagnesowanie_adiabatyczne,haslo.html;
 http://www.itcmp.pwr.wroc.pl/~kriogen/Wyklady/pods_krio/Wyklad6.pdf;
 http://kopalniawiedzy.pl/rozmagnesowanie-adiabatyczne-efekt-magnetokalorycznychlodzenie-Sujoy-Roy-Jeff-Kortright-Elizabeth-Blackburn-Lawrence-BerkeleyNational-Laboratory,10783
 http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_refrigeration
8